高位定向長鉆孔在綜采工作面裂隙瓦斯抽采中應用

劉振杰

（山西焦煤汾西礦業中興煤業有限責任公司，山西 交城 030500）

相關研究表明，采面回風流瓦斯中約有50%來自于采空區[1-2]，采空區瓦斯涌出量增加極其容易引起回風隅角瓦斯超限[3]。現階段回風隅角瓦斯治理措施包括有地面鉆孔、高抽巷、采空區埋管、高位定向鉆孔以及常規高位鉆孔等[4-5]。上述治理措施在煤礦均有應用，但是均不同程度存在一定弊端，其中地面鉆孔在淺埋煤層中應用較為廣泛，雖然抽采瓦斯濃度較高、施工安全性較好，但是治理成本高昂、鉆孔利用率低下；高抽巷法雖然抽采流量較大，但是面臨經濟投入大、管理難度高等問題；采空區埋管存在瓦斯治理效率低問題；常規高位鉆孔雖然有成本低、便于施工以及操作簡單等優勢，但鉆孔軌跡不容易控制，往往導致抽采效果不佳。高位定向鉆孔可實現鉆孔定位，同時鉆孔服役時間長、覆蓋范圍廣，在煤礦井下超前探測、瓦斯治理中應用呈增加趨勢。將高位定向鉆孔應用到采面裂隙瓦斯抽采中，具有下述主要優勢：鉆孔軌跡可孔，可實現目標層位瓦斯高效抽采；鉆孔覆蓋范圍廣，可實現長距離瓦斯抽采并增加鉆孔利用時間；鉆場可布置在回風巷內，不需要額外施工鉆孔。文中就以山西某礦30902 綜采工作面瓦斯治理為工程背景，對高位定向長鉆孔瓦斯抽采應用情況進行分析，以期為其他礦井瓦斯治理工作開展提供經驗參考。

1 工程概況

山西某礦井田面積為79 km2，批準開采煤層包括有2#、5#、9# 及10# 等，設計產能300 萬t/a，礦井屬于高瓦斯礦井，開采期間絕對瓦斯涌出量、相對瓦斯涌出量分別為15.89 m3/min、1.66 m3/t。30902 綜采工作面開采9#煤層，煤層賦存穩定，埋深均值380 m，厚度3.92 m、傾角8°，頂底板以穩定、致密的砂巖、砂質泥巖及石灰巖為主。30902 綜采工作面設計推進2 380 m、斜長230 m，采高為3.2 m，是現階段礦井唯一在采工作面，采面采用U 型通風方式。在采面開采期間，支架上部、松散煤體以及采空區等位置涌出瓦斯容易在機尾垮落空頂處、支架尾部等位置集聚，當回風隅角微風或者采空區頂板垮落時，容易造成回風隅角瓦斯超限，給采面安全生產帶來較大制約。

經過調研并結合礦井實際情況，提出采用以定向高位鉆孔為主、隅角瓦斯抽排為輔的瓦斯治理措施，現場應用取得較為顯著成果。

2 高位定向鉆孔布置參數

2.1 鉆孔布置層位

30902 綜采工作面回采9#煤層厚度均值3.92 m，煤層頂板為中硬巖層，開采后頂板冒落帶（Hm）、裂隙帶發育高度（H）可分別通過公式（1）～（2）計算：

式中：M 表示采面開采高度。通過上述公式計算得到Hm=8.2～13.2 m，H=13.4～26.4 m。

結合以往裂隙瓦斯抽采經驗，將鉆孔布置在距離回風巷10～22 m 范圍內時瓦斯抽采效果較為顯著。結合頂板冒落帶、裂隙帶發育情況，最終確定高位定向鉆孔層位為9#煤層頂板20～26 m 位置，水平方向上與回風巷間距為10～22 m。

2.2 鉆進設備及鉆孔施工

高位定向鉆孔施工采用礦井已購的型號ZDY6000LD 鉆機及其配套設備，具體采用的鉆進設備技術參數，如表1 所示。

表1 鉆進設備技術參數

高位定向鉆孔結構包括有開孔套管段、定向造斜爬坡段以及定向穩斜孔段，具體現場施工的鉆孔結構參數，如表2 所示。在30902 綜采工作面回風巷與切眼相互450 m 位置施工一個高位定向長鉆孔鉆場，在鉆場內施工3 個高位定向長，具體鉆孔施工參數，如表3 所示。

表2 高位定向長鉆孔結構參數

表3 高位定向長鉆孔施工參數

為對比高位定向長鉆孔治理效果，在采面回風巷內布置按照80m 間距布置4 個常規高位鉆場（布置位置分別為距離切眼80、160、240、320 m），常規高位鉆場內鉆孔施工參數一致，具體鉆孔參數，如表4 所示。

3 高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果

在30902 綜采工作面回采期間對高位定向長鉆孔、常規高位鉆孔瓦斯抽采情況進行統計，具體如表5 所示。從表中可以看出，高位定向長鉆孔瓦斯抽采純量、抽采率較常規高位鉆孔高分別為3.72 倍、3 倍，高位定向長鉆孔有效抽采時間較普通場鉆孔的330 h 高約4.15 倍。

在30902 綜采工作面在100～150 m 區間回采時，對高位定向長鉆孔、常規高位鉆孔進行交替接抽試驗（即交替開啟、關閉抽采負壓，同一時間內僅用一種瓦斯抽方式）并記錄回風隅角位置瓦斯濃度（瓦斯體積分數，下同）變化情況，具體如圖1 所示。從圖中看出，當僅采用常規高位鉆孔接抽時，回風隅角位置瓦斯濃度介于0.98%～1.1%，會風隅角位置瓦斯傳感器頻繁報警；僅采用高位定向長鉆孔接抽時，回風隅角瓦斯濃度降至0.43%～0.56%，回風隅角瓦斯濃度在安全范圍內，可保證采面安全回采需要。現場應用實踐表明，高位定向長鉆孔可實現采空區裂隙瓦斯高效抽采，對降低回風隅角瓦斯濃度有顯著作用。

圖1 回風隅角瓦斯濃度變化曲線

4 結語

在采面裂隙瓦斯抽采時采用高位定向長鉆孔可精準控制鉆孔在目標層位內鉆進，顯著提升鉆孔有效抽采段長度、實現瓦斯連續抽采并減少抽采盲區。在30902 綜采工作面現場應用表明，施工的高位定向長鉆孔瓦斯抽采純量均值為2.12 m3/min，抽采純量較普通的高位鉆孔高約3.72 倍；鉆孔瓦斯抽采時間較普通的高位鉆孔增加約4.15 倍。在30902 綜采工作面回采期間，高位定向長鉆孔接抽后回風隅角位置瓦斯濃度控制在0.56%以內，可為采面安全回采創造良好條件。